Процессы самопроизвольного разрушения пен

Первоисточник: В.К. Тихомиров. Пены. Теория и практика их получения и разрушения. М.: Химия. – 1975. – с. 60-63

Г л а в а 4 ПРОЦЕССЫ САМОПРОИЗВОЛЬНОГО РАЗРУШЕНИЯ ПЕН

Пена, как и любая дисперсная система, является агрегативно неустойчивой. Нестабильность пены объясняется наличием избытка поверхностной энергии, пропорциональной поверхности раздела жидкость — газ.
Известно, что замкнутая система, обладающая избытком свободной энергиинаходится в неустойчивом равновесии, поэтому энергия такой системы всегда уменьшается. Этот процесс протекает до момента достижения минимального значения свободной энергии, при котором в системе наступает равновесие. Если такая система состоит из различных фаз, например жидкости и газа, как это имеет место в пенах, то минимальное значение свободной энергии, а значит и поверхности раздела, будет достигнуто тогда, когда вся пена превратится в жидкость и газ. слияние двух пузырьков в один приводит систему в более равновесное состояние.
Разрушение пены происходит в результате истечения жидкости, диффузии газа между пузырьками и разрыва индивидуальных пленок внутри пены. Преобладание того или иного из этих процессов при разрушении пены зависит от многих факторов. В очень стабильных пенах, по крайней мере в первые 10 — 20 мин, разрыв пленок не происходит. В пенах высокой кратности («сухих»), а также пенах, образованных из вязких жидкостей, процесс истечения затруднен и распад обусловлен в основном диффузией газа. Пены с относительно толстыми жидкими прослойками, содержащими значительные количества жидкости, в первую очередь разрушаются в результате истечения жидкости, которое приводит к быстрому утончению пленок, лишь после этого в них начинают преобладать диффузия газа и разрыв пленок.

4.1. ИСТЕЧЕНИЕ ЖИДКОСТИ ИЗ ПЕНЫ

Истечение жидкости из пены происходит по каналам Плато под влиянием сил тяжести и капиллярных сил всасывания. В пенах и вертикальных свободных пленках эти силы действуют одновременно. В горизонтальных свободных пленках гравитационное влияние отсутствует, и поэтому процессы утончения и разрушения таких пленок происходят под действием только капиллярных сил, величина которых, соответствует разности кривизны краевых и центрального участков пленки.
Гравитационные силы регулируют истечение жидкости через всю сеть каналов Плато, но оказывают пренебрежимо малое влияние на переток жидкости из пленок к этим каналам. Такой переток обусловлен главным образом капиллярными силами и не зависит от ориентации пленки.
В зависимости от стабильности пены истечение жидкости может происходить-в результате выделения междупленочной жидкости и выделения жидкости стенками лопнувших пузырьков. В стабильных пенах пленки разрываются, как правило, лишь при достижении ими определенной толщины в результате предварительного истечения жидкости. Объем жидкости, заключенный в таких утонченных пленках, весьма невелик, вследствие чего доля объема жидкости, выделяющейся за счет разрушения Пленок, очень мала. В нестабильных пенах: разрушение пленок имеет место еще до достижения ими критической толщины.
В начальный момент происходит истечение излишнего количества жидкости,, заключенной между пузырьками. Это истечение представляет собой чисто гидродинамическое явление. Из всего объема пены раствор, содержащийся в прослойках, стекает вниз, подпитывая нижележащие слои пены. Истечение заканчивается, когда вся излишняя жидкость будет удалена и адсорбционные сольвати-рованные слои пленок соединятся.
Далее начинается утончение адсорбционных слоев до состояния термодинамически неустойчивой пленки. На этой стадии истечение жидкости из пены нельзя рассматривать и рассчитывать с точки зрения гидродинамики, так как становится существенным влияние капиллярных явлений. Под действием капиллярных сил, обусловленных различной кривизной отдельных участков пленки пузырька, поверхностные слои пленок при истечении подвергаются упругим деформациям: они могут растягиваться или сжиматься в соответствии с направлением действующих на них усилий. При растягивании пленки молекулы ПАВ поверхностного слоя становятся менее плотно «упакованными», т. е. происходит локальное увеличение поверхностного натяжения. Однако проявляющийся эффект Марангони восстанавливает «ослабленный» участок.
Эти два процесса протекают одновременно в течение всего периода существования пены вплоть до достижения пленками критической толщины, при которой они становятся хрупкими и могут разрываться при относительно слабом механическом воздействии, которое ранее они могли бы выдержать. Причиной разрыва пленок может оказаться вибрация, перепад температур, воздушные потоки, попадание частиц пыли и т. д. При истечении жидкости вблизи адсорбционных слоев пленки (второй этап истечения) скорость потока (как около твердых стенок) равна нулю, а в средней части она максимальна. Скорость истечения изменяется во времени. Начальные участки кривых характеризуют минимальную скорость, затем она достигает наибольшего значения и вновь падает. Незначительный конечный объем раствора (единицы процента от общего объема первоначально содержащейся в пене жидкости) удерживается в пленках продолжительное время с сохранением в ряде случаев устойчивой структуры пены. Увеличение содержания в пенообразующем растворе ПАВ замедляет скорость истечения жидкости из пены на всех участках, что связано с повышением структурно-механических свойств пленок, с увеличением объема мицелл, а также с усилением взаимодействия между адсорбционными слоями.
Скорость истечения зависит также и от других факторов. Большое влияние, помимо вида ПАВ и его концентрации, оказывают условия образования пены, которые можно сформулировать как скорость формирования адсорбционного слоя. В частности, если пену получают путем пропускания воздушно-жидкостной смеси через сетки, важными параметрами являются скорость потока воздуха, расход раствора, размеры отверстий сетки и т. п.
Кинетика истечения жидкости из пен изучалась многими исследователями. Эмпирически и теоретически были получены уравнения, описывающие этот процесс.
Вернуться в библиотеку